화학 퍼텐셜과 평형

화학 퍼텐셜은 물질이 추가될 때 시스템의 자유 에너지가 어떻게 변하는지를 측정하며, 반응물과 생성물의 화학 퍼텐셜을 동일하게 함으로써 화학 평형의 위치를 정확히 파악할 수 있습니다.

Definition

화학 퍼텐셜은 한 종의 부분 몰 깁스 자유 에너지이며, 화학 평형은 총 깁스 에너지가 최소화되어 반응물과 생성물의 가중된 화학 퍼텐셜이 같아지는 상태입니다.

Scope

이 주제는 부분 몰 깁스 에너지로서의 화학 퍼텐셜, 활동도와 퓨개시티를 통한 온도, 압력, 조성 의존성, 그리고 반응 및 상 변화의 추진력으로서의 역할을 다룹니다. 또한 반응의 평형 조건, 표준 반응 깁스 에너지와 평형 상수 간의 관계, 르샤틀리에 원리와 반트 호프 방정식을 통한 조건 변화에 대한 평형의 반응을 설명합니다. 기저 에너지론의 열량 측정은 별도의 주제에서 다룹니다.

Core questions

• 한 종의 화학 퍼텐셜은 활동도 또는 부분 압력에 어떻게 의존합니까?
• 표준 깁스 에너지가 아닌 반응 깁스 에너지가 0일 때 평형에 도달하는 이유는 무엇입니까?
• 반트 호프 방정식을 통해 평형 상수는 온도에 어떻게 의존합니까?
• 르샤틀리에 원리는 교란에 대한 평형의 반응을 어떻게 예측합니까?

Key concepts

• 화학 퍼텐셜 및 부분 몰량
• 활동도, 퓨개시티 및 표준 상태
• 평형 상수 및 반응 지수
• 반트 호프 방정식 및 온도 의존성
• 르샤틀리에 원리

Key theories

반응 깁스 에너지로부터의 평형 상수

반응 깁스 에너지는 반응 좌표를 따라 총 깁스 에너지의 기울기입니다. 이를 0으로 설정하면 평형 조건과 표준 반응 깁스 에너지 및 평형 상수 간의 관계가 도출됩니다.

반트 호프 방정식을 통한 온도 의존성

평형 상수의 온도에 따른 변화는 표준 반응 엔탈피에 의해 결정되므로, 발열 평형은 냉각 시 생성물 쪽으로 이동하고 흡열 평형은 가열 시 생성물 쪽으로 이동합니다.

Clinical relevance

화학 퍼텐셜과 평형은 하버-보쉬 공정과 같은 산업 합성의 수율, 약물 및 오염 물질의 용해도 및 분배, 용액 내 산-염기 및 착화 균형, 그리고 대사 과정에서 짝지어진 반응의 에너지론을 제어합니다.

History

깁스는 1870년대에 화학 퍼텐셜을 도입했습니다. 반트 호프는 1880년대에 그의 등적선을 통해 평형 상수를 열역학과 연결했으며, 루이스는 나중에 활동도와 퓨개시티를 도입하여 실제 비이상 용액 및 기체에 대한 처리를 엄격하게 확장했습니다.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Jacobus Henricus van't Hoff
• Gilbert N. Lewis

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

평형 표현식에서 농도 대신 활동도를 사용하는 이유는 무엇입니까?

비이상 용액 및 기체에서는 분자들이 상호 작용하여 유효 가용성이 명목상의 농도 또는 압력과 다릅니다. 활동도는 실제 시스템에 대한 평형 상수의 단순한 형태를 복원하는 열역학적으로 보정된 양입니다.

촉매가 평형 위치를 변경합니까?

아니요. 촉매는 양방향의 활성화 장벽을 동일하게 낮춤으로써 평형에 도달하는 속도를 높이지만, 평형 상수와 최종 평형 조성은 변경하지 않습니다. 이는 열역학에 의해 결정되며 반응 속도론에 의해 결정되지 않기 때문입니다.